近日，西安交通大学杨贵东教授团队在空气-水合成氨领域取得关键突破，成功构建了一个集成了微波等离子体活化与放大MEA电催化的串联氨合成平台，实现了在安培级电流密度下从空气和水直接合成氨。这项工作不仅为绿色、分布式、模块化氨生产开辟了一条可行的技术路径，也为未来利用可再生能源驱动大宗化学品的可持续合成提供了重要的科学依据和技术范式。相关成果以《通过晶界工程实现安培级氨的合成》(Ampere-level ammonia synthesis through grain boundary engineering) 为题，在国际权威期刊《自然合成》（Nature Synthesis）在线发表。

氨（NH₃）是重要的肥料原料和清洁能源载体。但传统的哈伯-博世法合成氨能耗巨大、碳排放严重。因此，开发温和条件下的电化学氨合成技术成为研究热点。然而，直接以氮气（N₂）为原料进行电化学还原，面临N₂分子惰性强、溶解度低的挑战，导致氨产率与法拉第效率极低。为解决这一问题，研究者提出了将非热等离子体活化与电催化相结合的“空气 → NOₓ→NH₃”串联路径。尽管该路径前景广阔，但现有等离子体源存在空气处理量小、NOₓ产率低的缺陷，且缺乏高效的电催化剂，导致系统整体性能受限，远未达到工业化所需的安培级电流密度。

杨贵东教授团队通过“晶界工程”策略，成功开发出一种富含孪晶界（TBs）和堆垛层错（SFs）的改性钴阴极（TB/SF-Co），用于高效选择性电催化还原亚硝酸根（NO₂⁻）。理论分析表明，TBs和SFs缺陷能够上移Co的d带中心，从而增强对NO₂⁻的吸附并促进中间体的加氢过程。该催化剂在NO₂⁻转化为NH₃的过程中，实现了-1.73 A cm⁻²的高分电流密度和96.7%的法拉第效率。进一步将该高性能阴极与微波等离子体空气活化模块（MPAA）耦合，构建了MPAA–ENitR串联系统，实现了从空气到氨的高效合成（图1）。该系统在总电流超过101 A（100 cm²并联电解槽）的条件下，空气到NO₂⁻产率达到0.745 mol h⁻¹，NO₂⁻到NH₃产率达到0.619 mol h⁻¹，法拉第效率超过95%，性能达到或超越了当前国际同类研究的先进水平。

图1 以空气与水为原料电催化合成氨路径图

技术经济分析（TEA）表明，电力成本是决定该技术经济性的主导因素，其中MPAA和ENitR的耗电分别占总成本的80.41%和15.12%。单变量敏感性分析指出，提升等离子体效率（即NOₓ生成速率）和降低电价是降低氨生产成本的关键。随着未来可再生能源电价的持续下降和等离子体技术的进步，该串联工艺有望实现低于当前市场价的氨生产成本。

该成果对接我国绿氨合成高质量发展重大需求，契合国家“双碳”战略导向。本研究不仅为绿色、分布式、模块化氨生产开辟了一条可行的路径，也为该团队国际首例常温常压下空气-水电催化合成氨百吨级示范装置的构建提供了重要的科学依据和技术支撑。

西安交通大学为唯一通讯单位，化工学院刘威博士为第一作者、杨贵东教授和欧鸿辉研究员为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、陕西自然科学基金等项目支持。